CN211670292U - 锂电池采样管理模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种总线安全的低成本的锂电池采样管理模块，该模块包括多个PMU单元、Main单元和通讯单元；多个PMU单元采用菊链方式连接，并通过isoSPI相互通讯，构成PMU组；PMU组中的首、尾PMU，分别通过isoSPI与Main单元连接，构成环形网络；通讯单元包括CAN总线，所述Main单元通过isoSPI与所述CAN总线连接，并实现与外部设备的连接；Main单元包括：MCU，两路与PMU组连接的isoSPI1、isoSPI2，一路isoCAN，以及EEPROM；所述isoSPI1、isoSPI2、isoCAN、EEPROM分别与MCU连接。本实用新型的技术方案成本低，维护方便，且能有效防止菊链中某个节点损坏或断线后无法读取后续节点数据的问题。

Description

锂电池采样管理模块

技术领域

本实用新型涉及电池管理领域，尤其涉及一种总线安全的低成本锂电池采样管理电路模块。

背景技术

锂电池采样管理模块(PMU)处于电池管理系统(BMS)三层架构中的最底层，如图1所示，主要负责锂电池单体电压，温度采样，数据上传；RMU负责输出控制，整体电压，电流检测，SOC，SOH等计算；CMU负责人机交互，以及PMU、RMU程序更新、数据存储、处理、显示等。CAN总线是安全成熟的现场总线，被大量运用于工业和汽车领域，同一CAN网络有其他CAN设备是很常见的事情，特别在汽车CAN总线上有大量的CAN设备。

现有的常规采样管理模块成本高，每个PMU都会有一个MCU，一个CAN转换芯片，当更新模块功能时，多个PMU的程序需要同时更新，这些造成单个PMU无论是芯片硬件成本，PCB板成本，还是软件维护成本都很高。

同时，现有常规框架的PMU在同一个CAN网络中需要多个CAN ID用来通讯，如果总线中其他设备较多会造成CAN ID冲突的情况，所以安全的方式是采用RMU来隔离内网和外网，显而易见这样的架构同样造成了硬件浪费和成本高的问题，并且增加工程实施复杂度。

此外，由于每个PMU有自己唯一的标识(如CAN ID)，如果网络中某个PMU损坏，那么更换它就需要获取之前PMU的配置信息，配置错误会导致冲突，报错，数据丢失等问题，这个问题一直困扰着现场检修人员，特别是维护多年前的旧设备时，由于项目相关人员更换导致的交接问题更为突出。而LTC6811-1的isoSPI总线，并没有被利用起来，造成硬件资源的浪费。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提出一种新的锂电池采样管理模块，此模块使isoSPI总线更加安全，并能极大的降低硬件和维护成本，简化电路架构。具体而言，本实用新型提供了以下的技术方案：

一种锂电池采样管理模块，所述管理模块包括多个PMU单元、Main单元和通讯单元；

所述多个PMU单元采用菊链连接方式，并通过isoSPI相互连接，构成PMU组，所述多个PMU单元连接电池组，以获取电池组采样信号；

所述PMU组中的首、尾PMU，分别通过isoSPI与Main单元连接，构成环形网络；

所述通讯单元包括CAN总线，所述Main单元通过isoSPI与所述CAN总线连接，并实现与外部设备的连接；

所述Main单元包括：两路与PMU组连接的isoSPI1、isoSPI2，MCU，一路isoCAN，以及EEPROM；所述isoSPI1、isoSPI2、EEPROM、isoCAN分别与MCU连接；

PMU单元包括与电池组连接的AFE、两路isoSPI线路。

优选地，所述AFE采用LTC6811-1芯片，且与电池连接，采集电池参数。

优选地，PMU单元中，AFE负责采集电池的状态信息，包括电压，温度，电流等，isoSPI主要作用滤除共模干扰，并实现信号隔离，输出的P，M为isoSPI总线信号。

优选地，所述MCU采用STM32F103系统；所述isoSPI1中的信号线路SPI1-NSS、SPI1-SCK、SPI1-MISO、SPI1-MOSI分别连接所述MCU管脚15、管脚16、管脚17、管脚18；所述isoSPI2中的信号线路SPI2-NSS、SPI2-SCK、SPI2-MISO、SPI2-MOSI分别连接所述MCU管脚25、管脚26、管脚27、管脚28。

优选地，所述isoSPI1结构为：isoSPI1的信号线路SPI1-NSS、SPI1-SCK、SPI1-MISO、SPI1-MOSI分别连接UA1的管脚5、管脚4、管脚3、管脚2；所述UA1管脚3连接电阻RA1并连接5V电源正极；所述UA1管脚10、管脚11之间连接相互串接的电阻RA4、电阻RA6，电阻RA4、电阻RA6之间通过电容CA1接地；UA1管脚10、管脚11分别连接共模电感LA1的输入端1、输入端2，共模电感LA1的输入端1、输入端2为同名端；共模电感LA1的输出端3、输出端4分别连接脉冲变压器TA1的管脚1、管脚2，脉冲变压器TA1的管脚3、管脚4分别为输出的isoSPI1的P、M信号；所述脉冲变压器TA1的管脚1、管脚2之间连接相互串联的电阻RA5、电阻RA7，电阻RA5、电阻RA7之间通过电容CA2接地。

优选地，所述isoSPI2结构为：isoSPI2的信号线路SPI2-NSS、SPI2-SCK、SPI2-MISO、SPI2-MOSI分别连接UA2的管脚5、管脚4、管脚3、管脚2；所述UA2管脚3连接电阻RA8并连接5V源正；所述UA2管脚10、管脚11之间连接相互串接的电阻RA11、电阻RA13，电阻RA11、电阻RA13之间通过电容CA5接地；UA2管脚10、管脚11分别连接共模电感LA2的输入端1、输入端2，共模电感LA2的输入端1、输入端2为同名端；共模电感LA2的输出端3、输出端4分别连接脉冲变压器TA2的管脚1、管脚2，脉冲变压器TA2的管脚3、管脚4分别为输出的isoSPI2的P、M信号；所述脉冲变压器TA2的管脚1、管脚2之间连接相互串联的电阻RA12、电阻RA14，电阻RA12、电阻RA14之间通过电容CA6接地。

优选地，所述UA1、UA2采用LTC6820芯片。

优选地，所述TA1、TA2采用CEEH96B。

isoCAN用于实现MCU与CAN总线之间的连接，该连接方式以及电路结构属于MCU总线连接的公知方式，是MCU基本架构，此处不再赘述。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有以下优点：

(1)成本低，由于PMU每块板不带MCU和CAN元器件成本降低，PCB板面积减少，生产，测试，维修等复杂度降低。

(2)Main板对外只有一个CAN接口，这样既可以连接外部CAN网络，也可以接内部CAN网络，占用CAN ID资源少，而且可通过优化，省去RMU层，将BMS架构变为2层，节省成本及安装空间。

(3)由于PMU没有配置参数，没有软件部分，所以如果损坏直接更换即可，维护方便快捷。

(4)此方案灵活度高，Main板可以根据项目需求进行调整和改变，PMU只有硬件电路很适合量产。

(5)isoSPI的首尾都与Main板连接，有效防止菊链中某个节点损坏或断线后无法读取后续节点数据的问题。

附图说明

图1为现有技术中常用的电池管理系统架构图；

图2为现有技术中PMU的常规框架图；

图3为isoSPI架构图；

图4为本实用新型实施例中采样管理模块架构图；

图5为本实用新型实施例中PMU组与所述MCU连接的两路isoSPI电路结构图；

图6为本实用新型实施例中MCU的电路结构图；

图7为本实用新型实施例中判断PMU数据是否异常的逻辑流程图。

具体实施例

下面将结合本实用新型实施例中的图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实施例中所标注的电路符号L1、L2等，仅作为区分电路器件使用，并为便于详细表述电路具体结构而用，不应作为对本实用新型技术方案的限定来理解和使用。

在本实用新型的一个具体的实施例中，本申请可以是针对以LTC6811-1为模拟前端(AFE)的PMU的技术改进。如图2所示，现有技术的大部分PMU架构中，电池单体与AFE(LTC6811-1)连接，MCU通过SPI总线读取电压，温度，状态等数据，并通过隔离CAN总线发送到总线网络中，LTC6811-1最大能采集12个电池单体数据，一般BMS由多个PMU组成，分别采样每个电池包数据。CAN网络中，RMU会收集这些数据并处理，EEPROM主要用来存储配置信息，PMU编号等信息。

在一个具体的实施方式中，本申请采用LTC6811-1推荐的isoSPI总线架构来完成PMU的功能，并做了改进以保证isoSPI总线的断线安全。

LTC6811-1推荐的isoSPI架构如图3所示，PMU由两部分组成，一部分是锂电池采样，主要是LTC6811-1以及两路isoSPI隔离变压器，元器件少，占PCB板面积小，这样就可以灵活的安装在电池包的大部分位置。另一部分是主板，主要是MCU，EEPROM，isoSPI以及CAN，主板元器件也很少，占PCB板面积小。由于采用主从模式，安装灵活，锂电池采样部分是纯硬件，无需烧写固件，适合批量生产。

主要工作方式是主板通过isoSPI读取每个PMU的数据，计算和处理后通过CAN总线发送。由于isoSPI是菊链连接，也就是A收到数据后传给B，B传给C，C传给D，单纯的该链接方式存在一个重要问题，即当C或C的线路断线后，C之后的设备信息就无法读取了，针对这一问题，在一个实施方式中，结合图4，本申请新增加一路isoSPI，从菊链的末尾接入，与Main(主板)链接，Main再通过CAN总线进行数据的传输。

结合图4，在一个具体的实施方式中，本申请所提出的锂电池采样管理模块包括多个PMU单元、Main单元和通讯单元；所述多个PMU单元采用菊链连接方式，并通过isoSPI相互连接，构成PMU组，所述多个PMU单元连接电池组，以获取电池组采样信号；所述PMU组中的首、尾PMU，分别通过isoSPI与Main单元连接，构成环形网络；所述通讯单元包括CAN总线，所述Main单元通过isoCAN与所述CAN总线连接，并实现与外部设备的连接；所述Main单元包括：两路与PMU组连接的isoSPI1、isoSPI2，MCU，一路与CAN总线连接的isoCAN，以及EEPROM；所述isoSPI1、isoSPI2、isoCAN、EEPROM分别与MCU连接；PMU单元包括与电池组连接的AFE、两路isoSPI线路。

优选地，所述AFE采用LTC6811-1芯片，且与电池连接，采集电池参数。PMU单元中，AFE负责采集电池的状态信息，包括电压，温度，电流等，isoSPI主要作用滤除共模干扰，并实现信号隔离，输出的P，M为isoSPI总线信号。

在一个具体的实施方式中，作为Main主板板块，其核心MCU采用STM32F103系统，如图6所示，所述isoSPI1中的信号线路SPI1-NSS、SPI1-SCK、SPI1-MISO、SPI1-MOSI分别连接所述MCU管脚15、管脚16、管脚17、管脚18；所述isoSPI2中的信号线路SPI2-NSS、SPI2-SCK、SPI2-MISO、SPI2-MOSI分别连接所述MCU管脚25、管脚26、管脚27、管脚28。STM32F103系统的其他管脚电路连接方式，以及芯片的管脚功能，均是本领域中的公知常识，也可参考本申请说明书附图6所示，此处不再赘述。

作为一个特定的实施方式，如图5、6所示，SPI作为控制两路isoSPI(即isoSPI1、isoSPI2)的通讯接口。

在一个特定实施方式中，如图5，所述isoSPI1结构为：isoSPI1的信号线路SPI1-NSS、SPI1-SCK、SPI1-MISO、SPI1-MOSI分别连接UA1的管脚5、管脚4、管脚3、管脚2；所述UA1管脚3连接电阻RA1并连接-5V电压；所述UA1管脚10、管脚11之间连接相互串接的电阻RA4、电阻RA6，电阻RA4、电阻RA6之间通过电容CA1接地；UA1管脚10、管脚11分别连接共模电感LA1的输入端1、输入端2，共模电感LA1的输入端1、输入端2为同名端；共模电感LA1的输出端3、输出端4分别连接脉冲变压器TA1的管脚1、管脚2，脉冲变压器TA1的管脚3、管脚4分别为输出的isoSPI1的P、M信号；所述TA1的管脚1、管脚2之间连接相互串联的电阻RA5、电阻RA7，电阻RA5、电阻RA7之间通过电容CA2接地。

在一个特定实施方式中，如图5，所述isoSPI2结构为：isoSPI2的信号线路SPI2-NSS、SPI2-SCK、SPI2-MISO、SPI2-MOSI分别连接UA2的管脚5、管脚4、管脚3、管脚2；所述UA2管脚3连接电阻RA8并连接-5V电压；所述UA2管脚10、管脚11之间连接相互串接的电阻RA11、电阻RA13，电阻RA11、电阻RA13之间通过电容CA5接地；UA2管脚10、管脚11分别连接共模电感LA2的输入端1、输入端2，共模电感LA2的输入端1、输入端2为同名端；共模电感LA2的输出端3、输出端4分别连接脉冲变压器TA2的管脚1、管脚2，脉冲变压器TA2的管脚3、管脚4分别为输出的isoSPI2的P、M信号；所述TA2的管脚1、管脚2之间连接相互串联的电阻RA12、电阻RA14，电阻RA12、电阻RA14之间通过电容CA6接地。

优选地，所述UA1、UA2采用LTC6820芯片。所述TA1、TA2采用CEEH96B。LTC6820芯片的管脚功能以及其他周边辅助电路的连接方式属于本领域中的公知常识，可采用如图5所示的方式连接，此处不再赘述。

在具体工作中，MCU通过SPI1和SPI2分别控制UA1，UA2(LTC6820)来输出isoSPI信号，LA1、TA1、LA2、TA2主要是滤波和隔离信号。

对于CAN总线的连接电路，这是电池管理中利用isoSPI与CAN总线连接的惯用的方式，属于本领域中的公知常识，此处不作为本申请的保护点和改进点，不再赘述。

在具体的工作过程中，LTC6811-1采样电池参数，Main板通过isoSPI两线差分网络读取每个PMU读取的电池参数，再通过如图7所示的方式，通过逻辑判断是否有异常，即先从isoSPI1读取PMU数据，计算并返回数据的PMU数量N1，判断N1是否等于PMU总数m，如果相等则进行其他数据读取或其他操作，如果不相等，则从isoSPI2接口读取PMU数据，计算返回数据的PMU数量N2，判断N2与m是否相等，如果相等则进行其他数据读取或其他操作，如果不相等，则判断N1+N2是否与m相等，如果相等则进行其他数据读取或其他操作，如果不相等则报错。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有以下优点：

(1)成本低，由于PMU每块板不带MCU和CAN元器件成本降低，PCB板面积减少，生产测试复杂度降低。

(2)Main板对外只有一个CAN接口，这样既可以接外部CAN网络，也可以接内部CAN网络，占用CAN ID资源少，而且可通过优化，省去RMU层，将BMS架构变为2层，节省成本及安装空间。

(3)由于PMU没有配置参数，没有软件部分，所以如果损坏直接更换即可，维护方便快捷。

(4)此方案灵活度高，Main板可以根据项目需求进行调整和改变，PMU只有硬件电路很适合量产。

(5)isoSPI的首尾都与Main板连接，有效防止菊链中某个节点损坏或断线后无法读取后续节点数据的问题。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种锂电池采样管理模块，其特征在于，所述管理模块包括多个PMU单元、Main单元和通讯单元；

所述多个PMU单元采用菊链连接方式，并通过isoSPI相互连接，构成PMU组，所述多个PMU单元连接电池组，以获取电池组采样信号；

所述PMU组中的首、尾PMU，分别通过isoSPI与Main单元连接，构成环形网络；

所述通讯单元包括CAN总线，所述Main单元通过isoSPI与所述CAN总线连接，并实现与外部设备的连接；

所述Main单元包括：两路与PMU组连接的isoSPI1、isoSPI2，MCU，一路isoCAN，以及EEPROM；所述isoSPI1、isoSPI2、isoCAN、EEPROM分别与MCU连接；

PMU单元包括与电池组连接的AFE、两路isoSPI线路。

2.根据权利要求1所述的管理模块，其特征在于，所述AFE采用LTC6811-1芯片，且与电池连接，采集电池参数。

3.根据权利要求1所述的管理模块，其特征在于，所述MCU采用STM32F103系统；所述isoSPI1中的信号线路SPI1-NSS、SPI1-SCK、SPI1-MISO、SPI1-MOSI分别连接所述MCU管脚15、管脚16、管脚17、管脚18；所述isoSPI2中的信号线路SPI2-NSS、SPI2-SCK、SPI2-MISO、SPI2-MOSI分别连接所述MCU管脚25、管脚26、管脚27、管脚28。

4.根据权利要求1所述的管理模块，其特征在于，所述isoSPI1结构为：isoSPI1的信号线路SPI1-NSS、SPI1-SCK、SPI1-MISO、SPI1-MOSI分别连接UA1的管脚5、管脚4、管脚3、管脚2；所述UA1管脚3连接电阻RA1并连接5V电源正极；所述UA1管脚10、管脚11之间连接相互串接的电阻RA4、电阻RA6，电阻RA4、电阻RA6之间通过电容CA1接地；UA1管脚10、管脚11分别连接共模电感LA1的输入端1、输入端2，共模电感LA1的输入端1、输入端2为同名端；共模电感LA1的输出端3、输出端4分别连接脉冲变压器TA1的管脚1、管脚2，脉冲变压器TA1的管脚3、管脚4分别为输出的isoSPI1的P、M信号；所述脉冲变压器TA1的管脚1、管脚2之间连接相互串联的电阻RA5、电阻RA7，电阻RA5、电阻RA7之间通过电容CA2接地。

5.根据权利要求1所述的管理模块，其特征在于，所述isoSPI2结构为：isoSPI2的信号线路SPI2-NSS、SPI2-SCK、SPI2-MISO、SPI2-MOSI分别连接UA2的管脚5、管脚4、管脚3、管脚2；所述UA2管脚3连接电阻RA8并连接5V源正；所述UA2管脚10、管脚11之间连接相互串接的电阻RA11、电阻RA13，电阻RA11、电阻RA13之间通过电容CA5接地；UA2管脚10、管脚11分别连接共模电感LA2的输入端1、输入端2，共模电感LA2的输入端1、输入端2为同名端；共模电感LA2的输出端3、输出端4分别连接脉冲变压器TA2的管脚1、管脚2，脉冲变压器TA2的管脚3、管脚4分别为输出的isoSPI2的P、M信号；所述脉冲变压器TA2的管脚1、管脚2之间连接相互串联的电阻RA12、电阻RA14，电阻RA12、电阻RA14之间通过电容CA6接地。

6.根据权利要求4或5所述的管理模块，其特征在于，所述UA1、UA2采用LTC6820芯片。

7.根据权利要求4或5所述的管理模块，其特征在于，所述TA1、TA2采用CEEH96B。

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